聚电解质/无机纳米复合湿敏材料及湿度传感器

【摘要】：聚电解质湿敏材料以其良好的湿敏响应特性和简便制备等优点得到广泛应用,但其在低湿环境下因阻抗过高难以检测。本论文设计制备了两类聚电解质／无机纳米复合湿敏材料,即：交联季胺化聚电解质和一维碳纳米管纳米复合湿敏材料；交联季胺化聚电解质和零维银纳米粒子复合湿敏材料。采用红外光谱(IR),核磁氢谱(1H-NMR),凝胶渗透色谱(GPC)和扫描电镜(SEM)等方法表征其组成结构和形貌,并制备了电阻型湿度传感器,研究了其湿敏响应特性。复合湿敏材料在低湿下阻抗显著降低,实现了对低湿环境湿度的灵敏检测。探讨了复合物湿敏响应机理。采用溶液共混及原位交联季胺化等方法,制备了交联季胺化聚(4-乙烯基吡啶)与多壁碳纳米管(MWNTs)复合湿敏材料和湿度传感器,通过红外、核磁和扫描电镜等表征复合物组成结构和形貌特征,研究了复合物组成,添加剂种类和浓度等对其湿敏响应性能影响。复合物湿度传感器具有较高的响应灵敏度(10-90%RH,阻抗值变化2个数量级),可灵敏检测低湿环境湿度(低至1%RH)。通过复阻抗谱等分析其响应机理,提出MWNTs的引入改变其导电行为。采用原位交联季胺化及气相原位还原等方法,制备交联季胺化聚(4-乙烯基吡啶)和银纳米粒子湿敏材料和具有双层结构的湿度传感器,表征其组成结构及形貌,研究了复合物组成比例,银纳米粒子还原方法,湿敏膜沉积次序,聚合物介质等对其湿敏响应性能影响。传感器可灵敏检测低至1%RH的低湿环境湿度,且灵敏度高(10-90%RH,阻抗变化3个数量级),响应较快(吸湿响应时间24 s)。